exploración de la capacidad de métodos nucleares para la...

E X P L O R A C I Ó N D E L A C A PA C I D A D D E M É T O D O S N U C L E A R E SPA R A L A C A R A C T E R I Z A C I Ó N D E L A H O M O G E N E I D A D E N

D E N S I D A D Y H U M E D A D D E S U E L O S

andrea abril fajardo

Departamento de FísicaFacultad de Ciencias

Universidad Nacional de Colombia

Diciembre 2012

Tesis presentada como requisito parcial para obtener el titulo deM.Sc en Física

supervisor:Fernando Cristancho Mejía

Andrea Abril Fajardo: Exploración de la capacidad de métodos nu-cleares para la caracterización de la homogeneidad en densidad y hu-medad de suelos , c© Diciembre 2012

R E S U M E N

La aplicación de la técnica Thermal Neutron Bakcscatteringen la detección de minas explosivas se fundamenta en que la ca-racerística química esencial de los AEI es el uso predominantede material orgánico, tanto en su componente explosivo, cade-nas hidrogenadas, como en su recipiente, típicamente de plás-tico o de madera. El estudio de esta aplicación es una idea conya más de una década de investigación [16, 3, 22], pero quepresenta inconvenientes ya que algunos tipos de suelo dondetipicamente son enterrados estos objetos; comparte las mismascaracerísticas químicas que los Aretefactos Explosivos Improvi-sados AEI.

El principio físico de la detección de las minas, en una meto-dología conocida como Thermal Neutron Backscattering (TNB),se puede describir de la siguiente manera: un haz de neutronesrápidos es dirigido hacia el volumen de suelo bajo inspección,las colisiones elásticas de los neutrones con núcleos de bajamasa, especialmente con hidrógeno, pero también con carbono,oxígeno y nitrógeno, disminuyen su energía y los dispersa iso-trópicamente. Un número de estos neutrones es retrodispersa-do hacia un detector de neutrones lentos ubicado conveniente-mente cerca de la fuente de neutrones y a cierta distancia dela superficie del suelo en donde su registro puede ser indicati-vo de la presencia de material explosivo. Las colisiones de losneutrones con los núcleos más pesados presentes en el suelo,(Si, Al, Fe, ...) no disminuye de manera notable la energía delos neutrones y por lo tanto se puede distinguir la mina explo-siva de esta parte de los componentes del suelo. Sin embargolos dos componentes adicionales del suelo producen tambiéntermalización y su señal puede interferir con la señal prove-niente del explosivo. Tales componentes son (a) los materialesorgánicos provenientes de los naturales procesos agronómicos,(b) el contenido de agua (humedad). Respecto al problema pre-sentado por los materiales orgánicos del suelo, experimentos ysimulaciones numéricas realizadas por grupos en Sudafrica [3]e Italia [22] usando TNB, demuestran que en una amplia gamade tipos de suelos secos o con humedad por debajo del 10 %en peso, es posible la detección de alrededor de 100 g o más dematerial explosivo enterrado a menos de 10 cm de la superficie.

El problema representado por las cantidades de hidrógenoproveniente exclusivamente del agua fue un problema más di-

iii

fícil de investigar. Recientes resultados obtenidos por un grupocolombiano [6], con la misma técnica TNB, muestran convin-centemente, que contrario al comportamiento supuesto, la hu-medad puede tener un efecto de amplificación de la señal pro-veniente del explosivo. Este es un resultado muy importante pa-ra la utilización del método en Colombia, en donde los suelospromedios tienen un alto porcentaje de humedad. Este trabajopropone estudiar el respuesta del sistema de detección al suelocon diferentes estados de compactación y la humedad del suelo.La cuantificación, se logra realizando medidas independientesde la densidad usando rayos γ, y de la humedad usando méto-dos electromagnéticos (Time Domain Reflexometry: TDR) rela-cionadas con la aplicación de la técnica TNB y transmisión deneutrones (Capítulo 2). Como resultado se obtiene las variacio-nes locales de la densidad y humedad, que al ser relacionadasentre si nos ayudan a identificar cúal es la respuesta del sis-tema de detección por transmisión y retodispersión de neutro-nes. Tambien podemos determinar a través de la densidad unaaproximación del rango de alcanze en longitud que tiene la téc-nica aplicada en suelos con diferentes estados de humedad ydensidad. Los resultados a su vez nos ayudan a identificar losrangos de variación de la densidad en un suelo con diferentesestados de compactación con las variaciones de intensidad enun detector de neutrones termicos producidas por variacionesen la densidad y humedad del suelo (Capítulo 3). Finalmenteeste trabajo describe a través de las condiciones de humedady densidad de un suelo cúales son las posibilidades de uso dela técnica TNB en suelos colombianos, demostrando que las va-riaciones de densidad de un suelo inducidas por cambios dela humedad son posibles de ser determinadas localmente, co-nociendo algunas caracterisiticas generales de la composiciónquímica del suelo.

iv

Tener un hijo quizásea el acto más bellamente

irracional que pueden realizardos personas que se aman.

— Bill Cosby

Dedicada a Luciana Maldonado y a Luz Marina Fajardo. Lasluces guías de mi vida.

Í N D I C E G E N E R A L

i conceptos introductorios y arreglo experi-mental 1

1 elementos de física de radiaciones y de sue-los 3

1.1 Fuente de neutrones 3

1.1.1 Fuente 252Cf 3

1.2 Detección de Neutrones Térmicos 4

1.2.1 Termalización de Neutrones 4

1.2.2 Sección Eficaz 5

1.2.3 Camino Libre Medio 6

1.2.4 Proceso de detección con un detector de3He+Ar 7

1.3 Interacción Fotón-Materia 10

1.3.1 Atenuación Exponencial 11

1.4 Física de suelos 12

1.4.1 El suelo y su composición 12

1.4.2 Clasificación 13

1.4.3 Humedad 14

1.4.4 Movimiento del agua en el suelo 15

2 desarrollo experimental 17

2.1 Arreglo Experimental 17

2.1.1 Arreglos de detectores 17

2.1.2 Contenedor de suelo 21

2.1.3 Muestras Estudiadas 21

2.2 Descripción del Experimento 23

2.2.1 Proceso de compactación del suelo 23

2.2.2 Suelos secos y parafina 24

2.2.3 Suelos húmedos 24

2.3 Secuencia de experimentos 25

ii resultados , análisis y conclusiones 27

3 resultados y análisis 29

3.1 Densidad obtenida por transmisión γ 29

3.1.1 Densidad de la arena 30

3.1.2 Densidad del suelo franco 31

3.2 Camino libre medio 32

3.2.1 Camino libre medio en la arena 34

3.2.2 Camino libre medio para suelo franco 35

3.3 Medidas iniciales: Estados homogéneos. 36

3.4 Arena 37

vii

viii índice general

3.4.1 Arena θ = 5 % 38

3.4.2 Arena θ =10 % 41

3.5 Suelo franco 44

3.5.1 Suelo franco θ =5 % 44

3.5.2 Suelo franco θ = 10 % 47

3.6 Relación Densidad-Termalización 50

4 conclusiones 53

bibliografía 55

Í N D I C E D E F I G U R A S

Figura 1 Esquema cápsula, fuente 252Cf, tomádo dela referencia [20]. 3

Figura 2 Espectro de energía 252Cf, tomádo de lareferencia [20]. 3

Figura 3 Sistema laboratorio 5

Figura 4 Diagrama proceso de sección eficaz 6

Figura 5 Configuración básica de un detector de neu-trones de 3He. 8

Figura 6 Secciones eficaces para las reacciones (3He,n),(6Li, α) and (10B, α); frecuentemente usa-das en la detección de neutrones térmicos.Datos tomados de la referencia [4]. 9

Figura 7 Esquema del proceso de absorción foto-eléctrica. 10

Figura 8 Esquema de decaimiento 22Na. 10

Figura 9 La fuente emite rayos γ con intensidad I0que al atravesar la muestra son atenuea-dos. 11

Figura 10 Estructura física del suelo 13

Figura 11 Triangulo de textural del suelo [17]. 14

Figura 12 Zonas del suelo, de acuerdo al movimien-to del agua. 15

Figura 13 Fotografía arreglo experimental transmi-sión γ. 18

Figura 14 Esquema experimental arreglo transmisiónγ. 18

Figura 15 Esquema arreglo de transmisión de neu-trones 3He-252Cf . 19

Figura 16 Esquema arreglo de retrodispersión de neu-trones 3He-252Cf. 20

Figura 17 Fotografía arreglo de transmision de neu-trones. 21

Figura 18 Densidad en función de la altura obtenidaexperimentalmente, para arena a diferen-tes estados de humedad y compactación,para el primer y quinto dia de experimen-to. 30

ix

x Índice de figuras

Figura 19 Densidad en función de la altura obteni-da experimentalmente, para suelo francoa diferentes estados de humedad y com-pactación, para el primer y quinto dia deexperimento. 31

Figura 20 Camino libre medio en función de la altu-ra para suelo franco, para el primer dia deexperimento. 34

Figura 21 Camino libre medio en función de la altu-ra para suelo franco, para el quinto dia deexperimento. 35

Figura 22 Respuesta del sistema de detección de trans-misión γ a suelos secos, columna y para-fina. 36

Figura 23 Respuesta del sistema de detección usan-do el arreglo de transmisión de neutronespara suelos secos y parafina. 37

Figura 24 Respuesta de sistemas de detección usan-do el arreglo de retrodispersión de neu-trones para suelos secos y parafina. 37

Figura 25 Respuesta del sistema de detección usan-do el arreglo de transmisión γ para arenasin compactar al θ =5 % . 38

Figura 26 Respuesta el sistema de detección usan-do el arreglo de transmisión γ para arenacompacta con θ = 5 %. 38

Figura 27 Respuesta del sistema detección usandoel arreglo de retrodispersión de neutronespara arena sin compactar al θ =5 %. 39

Figura 28 Respuesta del sistema de detección usan-do el arreglo de retrodispersión de neutro-nes para arena compacta al θ = 5 %. 39

Figura 29 Respuesta del sistema de detección usan-do el arreglo de transmisión de neutronespara arena sin compactar al θ = 5 %. 40

Figura 30 Respuesta del sistema de detección usan-do el arreglo de transmisión de neutronespara arena compacta al θ = 5 %. 40

Figura 31 Respuesta del sistema de detección usan-do el arreglo de transmisión γ para arenasin compactar al θ = 10 %. 41

Figura 32 Respuesta del sistema de detección usan-do el arreglo de transmisión γ para arenacompacta al θ =10 %. 41

Índice de figuras xi

Figura 33 Respuesta del sistema de detección usan-do el arreglo de retrodispersion de neutro-nes γ para arena sin compactar al θ =10 %. 42

Figura 34 Respuesta del sistema de detección usan-do el arreglo de retrodispersión de neu-trones para arena compacta al θ =10 %.42

Figura 35 Respuesta del sistema de detección usan-do el arreglo de transmisión de neutronespara arena sin compactar al θ =10 %. 43

Figura 36 Respuesta del sistema de detección usan-do el arreglo de transmisión de neutronespara arena compacta al θ =10 %. 43

Figura 37 Respuesta del sistema de detección usan-do el arreglo de transmisión γ para suelofranco sin compactar al θ = 5 %. 44

Figura 38 Respuesta del sistema de detección usan-do el arreglo de transmisión γ para suelofranco compacto con θ = 5 %. 44

Figura 39 Respuesta del sistema de detección usan-do el arreglo de retrodispersión de neutro-nes para suelo franco sin compactar conθ = 5 %. 45

Figura 40 Respuesta del sistema de detección usan-do el arreglo de retrodispersión de neutro-nes para suelo franco compacto con θ =5 %. 45

Figura 41 Respuesta del sistema de detección usan-do el arreglo de transmisión de neutronespara suelo franco al θ = 5% sin compac-tar. 46

Figura 42 Respuesta del sistema de detección usan-do el arreglo de transmisión de neutronespara suelo franco al θ = 5% compacto.46

Figura 43 Respuesta del sistema de detección usan-do el arreglo de transmisión γ para suelofranco sin compactar al θ =10 % 47

Figura 44 Respuesta del sistema de detección usan-do el arreglo de transmisión γ para suelofranco compacto al θ =10 % 47

Figura 45 Respuesta del sistema de detección usan-do el arreglo de retrodispersión de neu-trones para suelo franco sin compactar alθ =10 %. 48

xii Índice de figuras

Figura 46 Respuesta del sistema de detección usan-do el arreglo de retrodispersión de neutro-nes para suelo franco compacto al θ =10 %. 48

Figura 47 Respuesta del sistema de detección usan-do el arreglo de transmisión de neutronespara suelo franco sin compactar con θ =10 %. 49

Figura 48 Respuesta del sistema de detección usan-do el arreglo de transmisión de neutro-nes para suelo franco compacto con θ =10 %. 49

Figura 49 Relación de ∆I para transmisión y retro-dispersión con ∆ρ para arena a θ = 5% yθ = 10%. 50

Figura 50 Relación de ∆I para transmisión y retro-dispersión con ∆ρ para suelo franco a θ =5% y θ = 10%. 51

Í N D I C E D E TA B L A S

Tabla 1 Características de la fuente 252Cf [20] 4

Tabla 2 Clasificación de los neutrones por ener-gía. 4

Tabla 3 Peso molecular y secciones eficaces de loscompuesto H2O y SiO2. 7

Tabla 4 Clasificación de los componentes prima-rios del suelo de acuerdo al tamaño degrano. 13

Tabla 5 La tabla muestra los suelos analizados, elporcentaje de humedad, la condición decompactación y los experimentos realiza-dos en orden temporal, los experimentoscon suelos húmedos se realizan durantecinco días. Las celdas muestran los expe-rimentos realizados cada día a cada mues-tra, Ψ se refiere a la medida realizada conTDR, γ a transmisión γ, Tn a transmisiónde neutrones y Rn retrodispersión de neu-trones . 26

Tabla 6 Composición del suelo franco obtenida poranálisis estequiométrico de XRF. 29

Tabla 7 Composición de la arena obtenida por aná-lisis estequiométrico de XRF. 29

Tabla 8 µm para suelos con diferente porcentaje dehumedad a una energía de 511 keV. Obte-nidos de la base de datos NIST [7]. 30

Tabla 9 Secciones eficaces para una energia de 2

MeV, de compuestos presentes en la arenay el suelo franco. Obtenidas de las basesde la base de datos NNDC [4]. 32

xiii

Parte I

C O N C E P T O S I N T R O D U C T O R I O S Y A R R E G L OE X P E R I M E N TA L

Esta parte mostrará los elementos necesarios para resol-ver el problema experimental propuesto, iniciaremos conlos conceptos básicos de física de radiaciones y de suelos,lo que nos dará una perspectiva de por qué estudiar in-homogeneidades del suelo y su influencia en la técnicade retrodispersión de neutrones térmicos y la aplicaciónen la búsqueda de objetos enterrados con alto contenidoorgánico.

1E L E M E N T O S D E F Í S I C A D E R A D I A C I O N E S Y

D E S U E L O S

1.1 fuente de neutrones

Una fuente de neutrones esta típicamente hecha con isótoposartificiales que como parte de su decaimiento emiten neutrones.Los isotopos naturales que pueden usarse en el laboratorio sonescasos. Las fuentes de neutrones creadas en laboratorio estánbasadas en fusión espontánea u otra reacción nuclear [13].

1.1.1 Fuente 252Cf

La fuente de neutrones usada en este trabajo es 252Cf que esun isotopo radiactivo , esta fuente es de las más comúnmenteusada decae por emisión alfa generando fisión espontánea. El252Cf es encapsulado en un material suficientemente denso parablindar las partículas alfa y la radiación γ, pero debe permitirel paso de neutrones de alta energía.

Figura 1: Esquema cápsula, fuen-te 252Cf, tomádo de lareferencia [20].

Figura 2: Espectro de energía252Cf, tomádo de lareferencia [20].

La tabla 1 muestra las características técnicas de la fuente.

3

4 elementos de física de radiaciones y de suelos

vida media 2.64 años

emisión de neutrones 2.3 ×109 n/s por mg

energía promedio 2 MeV

actividad 5× 105 n/s (marzo 2012)

Tabla 1: Características de la fuente 252Cf [20]

1.2 detección de neutrones térmicos

1.2.1 Termalización de Neutrones

El proceso de termalización de neutrones es conocido comomoderación ya que lo que literalmente ocurre es una mode-ración de la energía del neutron por colisiones con el núcleo.Cuando un neutron rápido (ver tabla 2) interactúa con la mate-ria, puede ser dispersado o retrodispersado. En ambos casos yasea elástica o inelasticamente reduce su energía hasta llegar aestar en equilibrio térmico con los átomos circundantes. Cuan-do un neutrón obtiene esta energía (aproximadamente 0,025eV), es capturado por otro núcleo ó hace parte de fisión nuclear[9]. Para tratar el problema de la detección de neutrones debe-mos asumir que la energía inicial es de el orden de MeV, y seresuelve usando las leyes clásicas de conservación de la energía.

Rápidos 200 keV-10 MeV

Intermedios 0.4 eV-200 kEV

Lentos (Termicos) 0.025 eV ≈ kTFrios ≈ meV

Ultra-Frios ≈ µeV

Tabla 2: Clasificación de los neutrones por energía.

Consideraremos una colisión elástica entre un neutrón y unnúcleo inicialmente en reposo, en el sistema laboratorio, dondemn es la masa del neutrón que para simplificar los cálculos latomaremos como mn = 1 y la masa del núcleo en reposo comoel numero de masa atómica A (ver 3).La relación muestra una medida de la energía final en térmi-nos de la inicial, que se encuentra a partir del valor maximo

1.2 detección de neutrones térmicos 5

Mm

φcm

θcm

V

vcmvlab

Figura 3: Sistema laboratorio

que puede tomar e ángulo, los valores máximo y mínimo de larelación entre ella y la energía inicial [13],

E

E0

∣∣∣max

= 1,

E

E0

∣∣∣min

=(A− 1)2

(A+ 1)2.

(1)

De la ecuación 1 podemos deducir que para obtener la máxi-ma moderación de la energía en una colisión, el núcleo blancodebe tener una masa similar al neutrón incidente, por lo tantola termalización de neutrones es mas eficiente cuando se usacomo moderador un material compuesto por núcleos de bajamasa atómica, como el agua que contiene núcleos de hidrógenoo la parafina formada por cadenas de hidrógeno y carbono.

1.2.2 Sección Eficaz

La sección eficaz es un termino comúnmente usado para des-cribir procesos que involucran interacciones, en el caso del pre-sente experimento el sistema es un neutrón interactuando conla materia. La probabilidad de que esta interacción se de depen-de de ambos; del núcleo con el cual interactúa y de la energíadel neutrón incidente, por ejemplo la interacción de neutronestérmicos es mucho más probable que la absorción de un neu-trón de alta energía. La probabilidad de que una reacción par-ticular ocurra entre un neutrón y un núcleo, depende de a sec-ción eficaz (σ) del núcleo que es el área efectiva de cada centrodispersor,

NAFσ =numero de reacciones

∆t, (2)

where:


Flujo

δx

Área

dispersorescentros

Figura 4: Diagrama proceso de sección eficaz

N numero de centros dispersores por unidad de áreaA área del blanco (cubierta por el flujo)F Flujo: numero de partículas por unidad de área por unidadde tiempoσ área efectiva de cada centro dispersor

La sección eficaz es expresada en unidades de área, pero consi-derando que el área efectiva de un núcleo es pequeña se utilizael barn.

1 barn = 10−24 cm2.

1.2.3 Camino Libre Medio

1.2.3.1 Sección eficaz microscópica y macroscópica

Cada proceso de interacción al que un neutrón puede some-terse con un núcleo, es asociado a una sección eficaz especifica,las mas importantes son:

σse sección eficaz de dispersión elástica

σsi sección eficaz de dispersión inelástica

σrad sección eficaz radiactiva.

la suma de todas las secciones eficaces es designada como lasección eficaz total σtot. La σtot o sección eficaz microscópicaen función de la energía de los neutrones incidentes. Para lasinteracciones mostradas en los presentes experimentos son ob-tenidas de la base de datos citada en la referencia [4].

Es posible definir la sección eficaz macroscópica Σ que co-rresponde a la total “área equivalente” de los núcleos blancopor unidad de volumen. Si tenemos una mezcla de elementosen una unidad de volumen, la correspondiente sección eficazmacroscópica es:

Σ = N1σ1 +N1σ2 +N1σ3... (3)


donde σ es la sección eficaz total y N es la densidad atómica.El inverso de la sección eficaz macroscópica tiene el significa-do físico de representar la distancia promedio que recorre unneutrón entre dos interacciones. El camino libre medio tieneunidades de longitud.

λ =1

Σ

λ =A

Npromedioρ

1

σtot,

(4)

donde A es el peso atómico, NAv es el numero de Avogrado yρ es la densidad del elemento. La ecuación 4 puede ser aplicadaen compuestos y mezclas usando el peso molecular y la propor-ción de cada elemento en la mezcla a analizar. Por ejemplo paracalcular el camino libre medio en una mezcla de 30 % agua y70 % SiO2, esta mezcla tiene una densidad de 2.5 (g/cm3), esnecesario conocer el peso molecular y las secciones eficaces decada compuesto, que es la sumatoria de todas las secciones efi-caces de todos los elementos presentes en el compuesto, porejemplo:

σH2O = 2 ∗ σH + σO (5)

Compuesto Peso molecular (mol) Sección eficaz (cm −24)

SiO2 60.09 5.90

H2O 18.02 7.34

Tabla 3: Peso molecular y secciones eficaces de los compuesto H2O y SiO2.

Usando la ecuación 4, y multiplicando por la proporción delcompuesto el camino libre medio es:

λ = 0,3(

18,026× 1023 · 2,5

1

7,34× 10−24

)+ 0,7

(60,09

6× 1023 · 2,51

5,90× 10−24

)λ = 0,49+ 4,72λ = 5,21cm.

(6)

1.2.4 Proceso de detección con un detector de 3He+Ar

El proceso de detección de neutrones térmicos es llevado acabo mediante un contador proporcional, generalmente consis-te en un material blanco en este caso 3He + Ar, la interacción


entre el neutrón y el blanco produce una partícula cargada yun ion que son fácilmente detectables [12].

3He+Ar

-V0

3H

3He pn

Cátodo

Señal

ánodo

Figura 5: Configuración básica de un detector de neutrones de 3He.

32He + 1

0n→ 31H + 1

1p (7)

La energía de la reacción de la ecuación (7) es 0.746 MeV. Estaenergía corresponde a la energía cinética de los productos de lareacción (see Figure 5) que por conservación de la energía sondepositados en direcciones opuestas,

E3H = 0,191 MeV Ep = 0,573 MeV. (8)

El detector se encuentra a una diferencia de potencial que creaun campo eléctrico dentro del cilindro. Por los neutrones inci-dentes, el producto de la reacción 3He(n,p)3H induce la crea-ción de un par electrón-ión. El campo eléctrico producido porla diferencia de potencial en el gas conduce los electrones haciael ánodo y los iones al cátodo, siendo el numero de pares crea-dos proporcional al numero de neutrones térmicos detectados,creando una señal en el detector. El detector también contieneAr, el Ar incrementa la densidad electrónica dentro del detec-tor incrementando la probabilidad de que ocurra la reacción3He(n,p)3H , la adición Ar reduce los costos de fabricación deun detector.

En la figura 6 se gráfica la energía del neutrón en función dela sección eficaz para las reacciones mas comúnmente usadas


en la detección de neutrones. Se puede observar que la reacciónproducida por el 3He tiene la mas alta sección eficaz en el rangode bajas energías, lo cual hace que este tipo de detector sea unabuena elección en la detección de neutrones térmicos [12].

Energía (MeV)-11

10-10

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

10 1 10

Secc

ión

Efica

z(b

arns

)

1

10

210

310

410

510

Región neutrones

He (n,p)3

Li (n, A)6

B (n, A)10

Reacciones nucleares usadas para detectar neutrones

térmicos

Figura 6: Secciones eficaces para las reacciones (3He,n), (6Li, α) and (10B,α); frecuentemente usadas en la detección de neutrones térmicos.Datos tomados de la referencia [4].


1.3 interacción fotón-materia

Los procesos de interacción de la radiación γ con la materiason el efecto fotoeléctrico, el efecto Compton y la producción depares[13]. El efecto fotoeléctrico es de gran importancia en losexperimentos presentados en este trabajo, por esta razón serádetalladamente descrito a continuación.

El efecto fotoeléctrico se produce cuando un rayo γ con ener-gía Eγ interactúa con los electrones de la capa externa del áto-mo y deposita toda su energía en el, antes un de que el rayo γdesaparezca un fotoelectron es eyectado del átomo (ver figura7).

rayo γincidente

fotoelectrón

atómo

Figura 7: Esquema del proceso de absorción fotoeléctrica.

Parte de la energía del rayo γ es usada en para desprenderla energía de enlace del electrón, de la energía restante la ma-yor parte se transfiere a los electrones liberados como energíacinética. Un pequeña cantidad de la energía recolectada perma-nece en el átomo para conservar el momento. Esto proceso esllamado la absorción fotoeléctrica. La absorción fotoeléctrica esimportante para el proceso de detección de un rayo γ ya que elrayo γ le da toda su energia al detector, y el pulso resultante sesitúa en el pico de energía [12].

1.274 MeV

0 MeV

+β

2211Na

2210Ne

Figura 8: Esquema de decaimiento 22Na.

1.3 interacción fotón-materia 11

La fuente γ usada en este trabajo es 22Na. El 22Na decae emi-tiendo un positrón y un rayo γ de 1.274 MeV γ como se muestraen la figura 8, cuando el electrón interactúa con un electrón delmedio, aniquilando el positrón produciendo dos rayos γ queviajan en direcciones opuestas [5]. La intensidad del fotopicoanalizado en el presente trabajo es el de 511 keV.

1.3.1 Atenuación Exponencial

La intensidad del rayo γ medido después de atravesar unamuestra siempre es atenuada por las interacciones del rayo γcon la muestra. La figura 9 describe cuando rayos γ de intensi-

Io I

fuente

absorbedor

detector

x

Figura 9: La fuente emite rayos γ con intensidad I0 que al atravesar la mues-tra son atenueados.

dad IO inciden sobre un absorbedor de espesor x, la intensidadde los rayos emergentes I transmitidos por el absorbedor es:

I = I0e−µx, (9)

donde µ es el coeficiente de atenuación lineal, esta es la pro-babilidad de que un rayo γ interactué con algún material, y seexpresa en cm−1. Este coeficiente puede ser expresado en fun-ción se las secciones eficaces de cada proceso de interacción,

µ = N(σfotoelectrico +ZσCompton + σproduccion de pares), (10)

donde N es la densidad de átomos,

N = (NAρ/A), (11)

NA es el numero de Avogadro, ρ es la densidad del absorbedory A peso atómico [13].


El coeficiente de atenuacion linear tambien puede se expresaa traves del coeficiente másico de atenuación µm (expresado encm2/g) y la densidad,

µ = µmρ, (12)

para conocer el coeficiente de atenuación másico es necesarioconocer la composición estequiométrica de la muestra a estu-diar, la energía del rayo γ incidente, el coeficiente µm y el pesoatómico.

µm =NAA

(σphotoelectric +ZσCompton + σpair production), (13)

Una parte de los experimentos presentados consiste en en-contrar la densidad del suelo en función de los rayos γ transmi-tidos, para esto usamos la relacion entre el coeficiente lineal ymasico de attenuation12,la ecuación 9 puede ser expresada dela forma:

I = I0e−µmρx, (14)

ρ =1

x · µmln

(I0I

).

Los coeficientes másicos de atenuación µm son obtenidos dela base de datos citada en la referencia [7], el espesor de x esuna valor conocido, es la longitud del lado de la columna x =20 cm. I es la intensidad detectada a través de la columna conla muestra a estudiar, I0 es la intensidad detectada a través dela columna cuando esta vacía.

1.4 física de suelos

A continuación explicaré algunas de las propiedades y carac-terísticas generales de los suelo con el fin de entender comopropiedades, como la densidad y humedad del suelo puedenser medidas neutrones y rayos γ.

1.4.1 El suelo y su composición

El estudio del suelo se divide principalmente en dos ramas;edafología que estudia el suelo para propósitos agrícolas y lapedología que relaciona el suelo con su entorno natural tenien-do en cuenta factores como la morfología, clasificación y com-posición, es de naturaleza multidisciplinaria ,involucrando cien-cias como la física, la química la geología. En este experimento

1.4 física de suelos 13

estudiamos las propiedades físicas del suelo para definir la re-lación entre humedad y densidad. El suelo es un sistema granu-lar que esta conformado en tres diferentes fases, la fase liquidausualmente agua que actúa como medio de transporte de losminerales contenidos en la parte solida del suelo. La fase solidaes el suelo aparente donde se encuentra el contenido orgánicoo mineral. La fase gaseosa esta compuesta principalmente deaire [21]. El espacio entre cada partícula de suelo es llamado es-pacio poroso y es donde ocurren los fenómenos de transporte,por lo tanto es nuestra área de interés.

Espacio de poro

Fase solida

Fase gaseosa

Fase liquida

Figura 10: Estructura física del suelo

1.4.2 Clasificación

Los sistemas de clasificación están basados en criterios deproductividad agrícola y su nivel de desarrollo geológico. Elsuelo puede ser clasificado de acuerdo a su textura, basado enel tamaño de sus partículas. El suelo esta conformado por trescomponentes: arena, limo y arcilla, cada uno de ellos tiene untamaño de grano especifico (ver tabla 4). La clasificación tex-tural del suelo determina que porcentaje de cada componentetiene el suelo (distribución textural). La distribución del tamaño

Componente Diámetro de grano (mm)

Arena 0.05-2.0

Limo 0.05-0.002

Arcilla 6 0,002

Tabla 4: Clasificación de los componentes primarios del suelo de acuerdo altamaño de grano.

de las partículas clasifica un suelo. Para conocer la distribucióndel tamaño de partículas de un suelo es posible usar diferentesmétodos los mas usuales son el método de las pipetas, el testde Bouyucous [21] o una prueba de tacto generalmente usada


en campo. Al conocer la distribución de partículas podemosclasificar un suelo de acuerdo al triangulo de texturas [15].

Figura 11: Triangulo de textural del suelo [17].

1.4.3 Humedad

La humedad o contenido de agua en el suelo puede ser defi-nido como la cantidad de agua presente en el suelo dado ciertovolumen. La humedad (θ) puede ser determinada de dos dife-rentes formas, haciendo la razón entre el agua contenida y elvolumen (volumétrica)

θv =volumen de agua

volumen aparente del suelo=

masa de aguadensidad del agua

volumen de la muestra,

(15)

o de masa (gravimétrica)

θgr =masa de agua

masa del suelo seco(16)

=masa del suelo humedo - masa de suelo secado al horno

masa de suelo secado al horno.

1.4 física de suelos 15

La humedad por lo general se mide en términos de porcen-tajes [21]. En este trabajo la humedad será medida de formagravimétrica.

1.4.4 Movimiento del agua en el suelo

El movimiento del agua en el suelo depende de la humedadcontenida en él. Considerando que el movimiento de agua en elsuelo ente el espacio poroso debe ser definido por la humedadde saturación θs que es la humedad en la cual todos los porosestán llenos de agua y por lo tanto no existe espacio porosovacío. En términos de la humedad de saturación se pueden en-contrar tres diferentes áreas en el suelo, la zona no saturada(zona de vadosa), el nivel freático y la zona saturada.

Superficie

Zona no saturada

Zona saturada

Nivel freatico

Figura 12: Zonas del suelo, de acuerdo al movimiento del agua.

El movimiento del agua en el suelo difiere dependiendo el áreaya que en a zona no saturada es preferencialmente vertical mo-viéndose fácilmente en el espacio poroso y en la zona saturadael movimiento es preferencialmente horizontal.

El movimiento de agua en el suelo es diferente dependiendoen la zona en la que se encuentre ya que en la zona no satura-da el flujo es principalmente vertical pues se puede desplazarfácilmente entre el espacio poroso, y en la zona saturada el mo-vimiento de agua es preponderantemente horizontal.

1.4.4.1 Humedad en suelo saturado

La humedad en suelo saturado se puede estudiar desde elpunto de vista microscópico o macroscópico. De forma micros-cópica el movimiento de agua se relaciona a través de la ecua-ción de Poiseuille[21] y de forma macroscópica se relaciona através de la ley de Darcy la cual es la descripción mas adecuadaen la caracterización de suelos. La ley de Darcy indica que elflujo de agua es proporcional a la constante de conductividadhidráulica para suelo saturado Ks que depende del tipo de sue-lo, y a al gradiente hidráulico ∇H que depende del ancho de lamuestra [15].

J = Ks∇H. (17)


Algunas consecuencias importantes de la ley de Darcy se re-lacionan con el balance hídrico ya que se asume que para unflujo estable se debe conservar la masa entre los puntos en losque se evalúa el flujo (∇2H = 0), y para un flujo inestable enel que se presenta retención de agua el agua que fluye hacia ydesde un punto dado debe ser igual a la acumulación o pérdidade agua en el punto,

∇ · (Ks∇H) = SsδH

δt, (18)

donde Ss es la capacidad especifica de almacenamiento en eltiempo [21].

1.4.4.2 Humedad en suelo no saturado

El movimiento del agua en la zona no saturada (entre losporos hay aire y fluido) es de forma vertical y se puede entendercomo una ecuación de difusión del liquido en el medio, estaecuación es llamada la ecuación de Richard [21],

∂θ

∂t= D(θ)

∂2θ

∂z2+∂θ∂z∂

∂zD(θ) +

∂

∂zK(θ) − l, (19)

donde θ es el contenido relativo de agua en suelo; limitado porla saturación del terreno θs y θr el contenido del agua residualen el terreno. D(θ) es el coeficiente de difusión, y K(θ) es elparámetro de reflexión del flujo de agua en el terreno, el cualdepende de la permeabilidad intrínseca del suelo y de la hume-dad. La ecuación de Richard puede ser solucionada mediantemétodos numéricos, encontrando los valores de conductividady difusión hidráulica en función de la humedad [23].

2D E S A R R O L L O E X P E R I M E N TA L

2.1 arreglo experimental

El montaje experimental se realiza con el fin de explicar elcomportamiento de la respuesta a Retrodispersión de Neutro-nes Térmicos (TNB) a diferentes condiciones de densidad y hu-medad del suelo. El montaje experimental consiste en, una co-lumna contenedora de suelo, tres arreglos fuente detector y unmedidor de contenido de humedad. La columna contenedorade suelo esta hecha en aluminio para evitar que contribuya co-mo termalizador, los arreglos de detectores y el medidor dehumedad TDR son usados en diferentes objetivos de la carac-terización de las condiciones del suelo; si la medidas obtenidascon los diferentes arreglos experimentales y el medidor de hu-medad TDR son consistentes, se puede demostrar que a técnicade retrodispersión de neutrones térmicos puede caracterizar va-riaciones locales de densidad y humedad.

2.1.1 Arreglos de detectores

NaI-22Na, Arreglo de transmisión γ: La función de este arregloes evaluar la variación de densidad en el suelo, ya sea debidoa compactación o humedad. El arreglo consiste en una fuenteγ de 22Na del lado opuesto se encuentra un detector de NaI,entre la fuente y el detector se ubica la columna contenedora desuelo con la muestra a estudiar. La intensidad de la radiaciónγ detectada evaluada con la intensidad detectada cuando no setienen ninguna muestra de suelo puede dar información de ladensidad de la muestra, teniendo en cuenta otras característicasdel material como su composición estequiométrica y seccióneficaz . La intensidad del fotopico de 511 keV detectada por eldetector de NaI es la que se analizará para obtener la densidadde la muestra (ver ecuación 9).

El decrecimiento en la intensidad de cuentas del fotopico esindicador de que el material de la muestra es de alta densidadsi se compara con la columna vacía, en efecto, un incrementoen la cantidad de cuentas detectadas indica que mas rayos γ nohan interactuado con la muestra llegando al detector siendo ladensidad de la muestra menor.

17

18 desarrollo experimental

22Na

Columna de suelo

Fuente NaIDetector

Figura 13: Fotografía arreglo experimental transmisión γ.

Detector NaI

Muestra

Fuente 22Na γ

j

Figura 14: Esquema experimental arreglo transmisión γ.

3He-252Cf, Arreglo de transmisión de neutrones: Este arreglo esusado para determinar la respuesta a termalización de neutro-nes transmitidos a través de la muestra. Una alta respuesta enel sistema de detección es debida a los componentes orgánicospresentes en la muestra, se puede decir que en el tipo de expe-rimento realizado el aumento de la respuesta se da debido alaumento de la humedad ya que el suelo no varia su composi-ción ó debido al aumento de densidad ya que se aumenta lacantidad de centros dispersores por unidad de volumen. Con-siste en un detector de 3He, el cual se encuentra de lado opuestoa una fuente de 252Cf, entre el detector y la fuente se encuentraubicada la columna de suelo.

2.1 arreglo experimental 19

Muestra

j

Fuente de neutrones 252Cf

Detector 3He

Figura 15: Esquema arreglo de transmisión de neutrones 3He-252Cf .


3He-252Cf, Arreglo de retrodispersión de neutrones: Este arregloes usado para determinar la respuesta del sistema de detec-ción a neutrones retrodispersados de forma similar al arreglode transmisión, la intensidad de cuentas detectadas tiene rela-ción con la cantidad de elementos orgánicos presentes en lamuestra, la diferencia radica en que en este caso el detectorrecibe los neutrones retrodispersados por la muestra. Los resul-tados obtenidos con este arreglo experimental deben reflejar lascondiciones de densidad y humedad evidenciadas con los dosarreglos anteriores, lo cual implica que la técnica de retrodisper-sión de neutrones tiene la capacidad de encontrara variacioneslocales de homogeneidad caracterizadas por variaciones en ladensidad y humedad del suelo.

Muestra

j

Fuente de neutrones 252Cf

Detector 3He

Figura 16: Esquema arreglo de retrodispersión de neutrones 3He-252Cf.

El uso conjunto de todas las tecnicas, da como la resultadola capacidad de obtener y contrastar diferencias en densidady humedad de una muestra. El proceso de termalización deneutrones es útil para determinar humedad, mientras que la ra-diación γ es usada ara determinar densidad, la respuesta de lossistemas de detección usando estas técnicas nos da informaciónacerca de la presencia de componentes orgánicos, sin embargoel uso de radiación γ es crucial para demostrar que las variacio-nes de densidad se deben al aumento de humedad en el suelo.

TDR Medidor de contenido de humedad: La función del medidord contenido es humedad es dar una medida cualitativa de lavariación de la humedad en función de la altura y e tiempo, sibien no se conoce el valor exacto del porcentaje de humedad

2.1 arreglo experimental 21

Detector 3He Fuente 252Cf

Columna de suelo

Sistema deadquisición de datos

Figura 17: Fotografía arreglo de transmision de neutrones.

del suelo se puede obtener la razón de cambio de la humedaden función de la altura, lo cual es suficiente para evaluar y con-trolar que tendencia de variación de la humedad sea similar ala obtenida con los métodos de transmisión y retrodispersiónde neutrones.

2.1.2 Contenedor de suelo

El fenómeno central de estudio es la termalización de neu-trones lo que implica que se debe garantizar tener la menorinteracción de los neutrones con los elementos del montaje di-ferentes a la muestra a analizar, esto se puede hacer tomando lasección eficaz demostrando que la termalización de neutroneses menos probable en el aluminio que en otros materiales orgá-nicos. Podemos decir que respecto al proceso de termalizaciónde neutrones con materiales orgánicos el aluminio es transpa-rente a los neutrones.

2.1.3 Muestras Estudiadas

Para este experimento se han elegido tres muestras, arena,suelo franco y parafina ; estos tres materiales tiene característi-cas en común. El proceso de termalización es altamente efectivoen materiales hidrógenados, tal como el agua o la parafina. Lahumedad en el suelo es importante ya que el principal objetivode este trabajo es determinar la humedad del suelo y la influen-cia del contenido orgánico del suelo en la respuesta del sistemade detección, en estos términos la parafina tiene alto contenidode hidrógeno como de carbono de forma similar al suelo fran-


co y la respuesta del sistema de detección al estudiar parafinamuestra cual es la respuesta de un sistema con alto contenidoorgánico con composición y densidad homogéneas. En generalel experimento se realiza para determinar la respuesta a terma-lización de neutrones de dos diferentes tipos de suelo, arenay suelo franco. La arena se caracteriza por tener un alto con-tenido mineral, mientras que el suelo franco lo caracteriza sualto contenido orgánico. La comparación de la respuesta delsistema de detección a estos suelos es útil para determinar elcomportamiento de los sistemas de detección cuando se tienensuelos o muestras con alto contenido orgánico provenientes dela misma muestra o de variaciones de la humedad o densidad.En este sentido la parafina es un punto de comparación en elcual conocemos su composición y densidad.

La variación en las condiciones de las muestras estudiadas,hace parte de la técnica usada, debido a que es posible saber sihay variaciones comparando estados iniciales con estados fina-les de densidad y humedad, por ejemplo un suelo seco no tieneun porcentaje de humedad que pueda ser determinado (hume-dad residual) mediante la técnica usada y tiene una densidadrelativamente homogénea en respuesta de ambos sistemas dedetección: termalización de neutrones y radiación γ nos mues-tran como se "ve” un suelo que no tiene dinámica. El mismosuelo húmedo y con una diferencia de densidad hace que larespuesta del sistema de detección sea diferente, por lo que ladiferencia se atribuye al aumento de la materia orgánica en elsuelo proporcionado por el agua y las variaciones de la densi-dad local debido a la dinámica del agua en el suelo.

El experimento esta enfocado principalmente a estudiar mues-tras representativas de suelos de los departamentos de Antio-quia, Meta y Caquetá. Teniendo en cuenta la gran variedad desuelo presentes en una región se debe escoger la muestra conbase en las propiedades físicas que pueden ser evaluadas me-diante métodos nucleares; humedad y densidad. La región deinterés del suelo para la búsqueda de objetos enterrados es lasuperficie del horizonte A, por lo tanto no se observan las ca-racterísticas de cada suelo en cuanto a su formación geológicay los procesos de evolución temporal. Sin embargo de acuerdoa la clasificación taxonómica del suelo en la mayor parte del te-rritorio Colombiano, que incluye los departamentos de interéslos clasifica como Entisoles. En estos suelos sólo se observa or-ganización de suelo en la parte superior del mismo, por efectode la materia orgánica y de la actividad biológica presentes enella [10]. En el sistema de clasificación por Zonas de Vida seda interés a la influencia del clima sobre los suelos, afectándose

2.2 descripción del experimento 23

principalmente la humedad del suelo lo cual da lugar a dife-rentes procesos físico químicos, clasificándose los suelo de lasregiones de Antioquia, Meta y Caquetá como húmedo y muyhúmedos respectivamente [14]. Por las razones expuestas ante-riormente se decide que la muestras que representan los suelosde los departamentos de interés corresponden a un suelo enclasificación textural franco-arenoso y arena, ya que se puedenestudiar las diferencias causadas a las variaciones de humedady la transición entre un suelo sin materia orgánica a uno conmateria orgánica presente.

2.2 descripción del experimento

En general, el estudio de cada suelo se realiza mediante elanálisis de las variaciones de densidad y contenido de hume-dad de la muestra o el suelo en diferentes partes de la columna.La columna contenedora es rectangular y tiene unas dimensio-nes de 20×20×80, con cada arreglo experimental se realiza latoma de datos cada 20 cm, obteniendo la intensidad de la ra-diación emitida ya sea γ ó neutrones en función de la altura. Sedescribe la secuencia cronológica realizada en cada muestra.

2.2.1 Proceso de compactación del suelo

Los experimentos describen dos estados de densidad; com-pacto y sin compactar, la diferencia radica en que el suelo sincompactar es agregado a la columna desde la parte superior deella y dejado caer libremente depositando partes de aproxima-damente 7 a 10 kg. Para el obtener suelo compactado se realizaun proceso de fuerza controlada descrito en los siguientes pa-sos:

1. Se deposita suelo en la columna hasta alcanzar una altu-ra de 20 cm, lo que equivale a un volumen dentro de lacolumna de 60 cm3.

2. Se golpea el suelo con un objeto de 5 kg, desde aproxima-damente 20 cm de la superficie del suelo; 20 veces.

El proceso se repite, hasta llenar completamente la columna.El método de compactación es bastante sencillo, lo que hacedifícil obtener valores homogéneos de densidad al iniciar el ex-perimento.


2.2.2 Suelos secos y parafina

Los suelos secos y la parafina son sistemas relativamente ho-mogéneos, al no tener humedad, no existe la posibilidad de te-ner dinámica de flujo en función del tiempo o de la altura y porlo tanto la respuesta de los sistemas de medición obtenida enestas muestras es el estado inicial y se puede comparar con lasvariaciones en la respuesta cuando se cambian las condicionesde humedad y compactación.

2.2.3 Suelos húmedos

La secuencia experimental involucra para todos los casos unbarrido vertical con cada arreglo fuente-detector; las medicio-nes son tomadas a 0, 20, 40, 60 y 80 centímetros siendo 0 cmen la base la columna. Los arreglos experimentales mostradosen las figuras 14, 15, 16 están rígidamente ligados por lo tan-to siempre están en la misma posición respecto a la columna.El análisis de cada suelo húmedo debe iniciar con la mediciónrealizada con el arreglo 22Na-NaI para evaluar cual es el estadoinicial de homogeneidad en densidad; se espera de forma idealque inicialmente no se tengan variaciones en densidad en fun-ción de la altura sin embargo los efectos de la gravedad sobrelas muestra dificultan tener un estado inicial homogéneo, tantoen humedad como en densidad. Al conocer el estado inicial dedensidad se determina cuales son las regiones de la columnaen las cuales se presenta mayor densidad lo cual puede ser in-dicio de que en esos puntos existe mayor humedad, la forma deidentificar si las variaciones son debidas a la humedad presenteen esa región es con el medidor TDR que da una medida cuali-tativa de la humedad esta medida se toma a las mismas alturasen las cuales se realizan la medidas con los demás arreglos ex-perimentales, esto es suficiente para determinar si inicialmentese tiene humedad y densidad homogéneas. Estas medicionesson medidas de control por lo tanto se realizan únicamente alinicio y al final de cada experimento. Cada suelo con determi-nada humedad para ser analizado toma 5 días por lo tanto lasmedidas de control se realizan el primer y quinto día. Las me-didas descritas anteriormente dan la posibilidad de obtener elestado de densidad y humedad inicial y final de cada suelohúmedo, necesario para realizar a continuación las medicionesque darán cuenta del contenido orgánico. El siguiente paso arealizar es la toma de medidas por transmisión y retrodisper-sión de neutrones nuevamente llevando acabo el barrido verti-cal de la columna con los sistemas de detección. A diferencia

2.3 secuencia de experimentos 25

de los suelos secos, la humedad hace que se presente dinámicapor lo tanto se busca ver su evolución en el tiempo realizandomediciones cada día durante cinco días continuos, se esperanprincipalmente las siguientes variaciones:

1. Variación de humedad en la parte superior de la columnadebido, al potencial gravitacional el agua debe moversehacia la parte inferior de la columna .

2. El suelo franco con alto contenido orgánico debe retenermas humedad comparado con la arena que es un suelocon alto contenido mineral, por lo tanto las variación de lahumedad en función del tiempo en suelo franco es menorque en arena.

La respuesta del sistema de detección por transmisión de neu-trones, muestra intensidad de cuentas la cual se relaciona conel contenido orgánico del suelo o la muestra como función dela altura, el suelo no cambia su composición se deduce que loscambios en la intensidad de cuentas se producen por variacio-nes en la humedad. La respuesta del sistema de detección tienela misma tendencia que por transmisión de neutrones. Las me-didas realzadas con los dos sistemas de detección son corres-pondientes, lo que señala que se pueden encontrar variacionesen la homogeneidad con un sistema de detección no invasivo,lo cual es de especial interés en la ubicación de objetos enterra-dos con alto contenido orgánico en suelo con una composiciónsimilar.

2.3 secuencia de experimentos

La secuencia de experimentos se desarrollo teniendo en cuen-ta que se quiere conocer la evolución de la dinámica del sueloen el tiempo, por lo tanto es necesario conocer el estado inicialy final de la muestra, realizando un seguimiento diario del sue-lo. La siguiente tabla 5 muestra que medidas se realizaron encada día de experimento para cada muestra. En total se anali-zaron dos tipos de suelo uno mineral y otro orgánico, con tresdiferentes porcentajes de humedad siendo uno de ellos θ = 0

y dos estados iniciales de densidad diferentes (compacto y sincompactar), además se toma una medida con parafina que esutilizada como referente de homogeneidad y alto contenido or-gánico.


Muestra Dia1 Dia2 Dia3 Dia4 Dia5

Arena 5 % Ψ γ Tn Rn Tn Rn Tn Rn Tn Rn Ψ γ Tn Rn

Arena 5 % compacta Ψ γ Tn Rn Tn Rn Tn Rn Tn Rn Ψ γ Tn Rn

Arena 10 % Ψ γ Tn Rn Tn Rn Tn Rn Tn Rn Ψ γ Tn Rn

Arena 10 % compacta Ψ γ Tn Rn Tn Rn Tn Rn Tn Rn Ψ γ Tn Rn

Franco 5 % Ψ γ Tn Rn Tn Rn Tn Rn Tn Rn Ψ γ Tn Rn

Franco 5 % compacto Ψ γ Tn Rn Tn Rn Tn Rn Tn Rn Ψ γ Tn Rn

Franco 10 % Ψ γ Tn Rn Tn Rn Tn Rn Tn Rn Ψ γ Tn Rn

Franco 10 % compacto Ψ γ Tn Rn Tn Rn Tn Rn Tn Rn Ψ γ Tn Rn

Parafina Ψ γ Tn Rn

Tabla 5: La tabla muestra los suelos analizados, el porcentaje de humedad, lacondición de compactación y los experimentos realizados en ordentemporal, los experimentos con suelos húmedos se realizan durantecinco días. Las celdas muestran los experimentos realizados cadadía a cada muestra, Ψ se refiere a la medida realizada con TDR, γ atransmisión γ, Tn a transmisión de neutrones y Rn retrodispersiónde neutrones .

Parte II

R E S U LTA D O S , A N Á L I S I S Y C O N C L U S I O N E S

Esta parte muestra los resultados obtenidos utilizando losmétodos nucleares de transmisión γ, transmisión y retro-dispersión de neutrones para determinar las variacioneslocales en la humedad y la densidad, en dos suelos dife-rentes; arena y suelo franco. Los datos están acompañadosde una descripción general de la información que se obtie-ne de los sistemas de detección, dando una perspectivadel uso de varios métodos nucleares para caracterizar elestado de un suelo, las posibilidades y limitaciones de lastécnicas nucleares utilizadas.

3R E S U LTA D O S Y A N Á L I S I S

3.1 densidad obtenida por transmisión γ

Para evaluar la densidad en función de la intensidad de losrayos γ detectados (ver ecuación 14) en cada altura de la colum-na es necesario conocer el coeficiente de atenuación másico µm.Para esto, debemos conocer la composicion estequiométrica dela muestra [1]. El coeficiente µm es obtenido de la base de da-tos citada en la referencia [7], la composición estequiométricaes obtenida a partir de un análisis independiente realizado porfluorescencia de rayos X (XRF, X-ray fluorecence), mostrado enlas tablas 6 y 7. Para cada suelo con cierto contenido de hu-medad su concentración es normalizada al porcentaje de sueloseco (ecuación 20).

ΣTot compConcentración(1% −

θ%100

)+ θ% = 100% (20)

Compuesto Concentración ( %)

SiO2 60.57

Al2O3 32.64

Fe2O3 2.4

CaO 1.54

MgO 0.69

TiO2 0.57

P2O5 0.51

K2O 0.49

Na2O 0.55

MnO 0.04

Tabla 6: Composición del suelofranco obtenida por aná-lisis estequiométrico deXRF.

Compuesto Concentracion ( %)

SiO2 96.81

Al2O3 2.63

TiO2 0.23

Fe2O3 0.19

CaO 0,05

K2O 0.05

Na2O 0.04

P2O5 0.03

Tabla 7: Composición dela arena obtenidapor análisis este-quiométrico deXRF.

29

30 resultados y análisis

El coeficiente de atenuación másico usado para calcular la den-sidad en función de la energía Eγ = 511 keV son mostrados enla tabla 8.

Suelo µm (cm2/g) ×10−2

Suelo franco θ = 5% 8.61

Suelo franco θ = 10% 8.65

Arena θ = 5% 8.64

Arena θ = 10% 8.69

Tabla 8: µm para suelos con diferente porcentaje de humedad a una energíade 511 keV. Obtenidos de la base de datos NIST [7].

3.1.1 Densidad de la arena

h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

ρ(g

/cm3

)

0.91

1.11.21.31.41.51.61.71.81.9

Arena θ = 5%, Día 1

Sin compactarCompacto

h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

ρ(g

/cm3

)

0.91

1.11.21.31.41.51.61.71.81.9



h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

ρ(g

/cm3

)

0.91

1.11.21.31.41.51.61.71.81.9



h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

ρ(g

/cm3

)

0.91

1.11.21.31.41.51.61.71.81.9



Figura 18: Densidad en función de la altura obtenida experimentalmente,para arena a diferentes estados de humedad y compactación, pa-ra el primer y quinto dia de experimento.

Las Figura 18 muestran el cambio de la densidad en funciónde la altura para arena con θ=5 % y θ=10 % compacta y sincompactar, para el día inicial y final del experimento. Se pue-den observar variaciones de densidad para arena al θ = 5% enun rango de [0.9 : 1.8] g/cm3 y para θ = 10% en un rango de[1.1 : 1.7] g/cm3. Para θ=5 % se puede observar que en compara-

3.1 densidad obtenida por transmisión γ 31

cion entre el primer y quinto dia la densidad varia aumentandoen h = 0, mientras que para θ=10 % puede observarse que en elquinto dia de experimento la densidad en función de la alturatiende a homogenizarse.

3.1.2 Densidad del suelo franco

h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

ρ(g

/cm3

)

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.31.4

Suelo Franco θ = 5%, Día 1


h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

ρ(g

/cm3

)

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.31.4



h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

ρ(g

/cm3

)

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.31.4



h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

ρ(g

/cm3

)

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.31.4



Figura 19: Densidad en función de la altura obtenida experimentalmente,para suelo franco a diferentes estados de humedad y compacta-ción, para el primer y quinto dia de experimento.

La figura 19 muestra las variaciones de la densidad para sue-lo franco con θ=5 % y θ=10 % compacto y sin compactar, parael primer y quinto dia de experimento. Se puede observar paralas dos humedades que al incio del experimento (dia 1) existenevidentes diferencias entre el suelo compactado y sin compac-tar en regiones especificas de la columna, sin embargo despuésde 5 días de experimento estas diferencias se hacen menos vi-sibles. Considerando el tamaño de las barras de error existenpuntos de la columna en los cuales no se observan de diferen-cias de densidad entre el inicio y el final del experimento, loque muestra que el suelo tiene una gran capacidad para rete-ner humedad ya que durante el tiempo de medida (5 dias) nose observan cambios. La humedad en la que se pueden notarmas diferencias de densidad en función de la altura es en θ=5 %.Se pueden observar variaciones de densidad para suelo franco


al θ = 5% en un rango de [0.9 : 1.3] g/cm3 y para θ = 10% enun rango de [1.1 : 1.2] g/cm3.

3.2 camino libre medio

La forma de relacionar las densidades obtenidas experimen-talmente con el arreglo de transmisión γ con las respuestas ob-tenidas con transmisión y retrodispersión de neutrones es a tra-vés del camino libre medio. La relación entre la densidad y lasección eficaz de los suelos estudiados es utilizada para estimarel camino libre medio (Ecuación 4), dando información acercade la posibilidad que tiene un neutrón en longitud, para reco-rrer un suelo sin interactuar con él.

Para calcular el camino libre medio en arena y suelo francocon diferentes valores de humedad se usan las secciones efica-ces mostradas en la Tabla 9. Estas secciones eficaces correspon-den a los compuestos con mayor presencia en los suelos estu-diados, de acuerdo a la estequiometría presentada en las Tablas6 y 7, para una energía de 2 MeV ya que según la descripcióntecnica de la fuente utilizada en el experimento la mayor in-tensidad de neutrones emitidos se presenta a una energía de 2

MeV (ver Figura 2).

Compuesto Sección eficaz (cm−24)

SiO2 5.90

Al2O3 11.19

TiO2 6.71

Fe2O3 9.55

CaO 3.57

H2O 7.34

MgO 3.71

MnO 5.05

Na2O 7.35

K2O 7.85

P2O5 13.73

Tabla 9: Secciones eficaces para una energia de 2 MeV, de compuestos pre-sentes en la arena y el suelo franco. Obtenidas de las bases de labase de datos NNDC [4].

Conocer el camino libre medio nos ayuda a entender cúalesson los máximos y mínimos de longitud a los cuales se puededetectar los neutrones transmitidos ó retrodispersados por elsuelo. En general; es posible ver que la alta densidad está rela-

3.2 camino libre medio 33

cionado con un λ pequeño y esta relación con los sistemas dedetección muestra una posible respuesta para analizar procesosen los cuales se espera que los neutrones realicen el proceso determalización en una longitud mínima, por ejemplo en caso deutilizar la técnica TNB para la busqueda de objetos enterradosel suelo, los cuales se espera estén a cierta profundidad de la su-perficie del suelo. Vale la pena recordar que los valores de λ noson una medida estricta de la longitud en la cual se realiza unainteracción ya que estos procesos son estocásticos sin embargoes útil para determinar y optimizar la configuración del arregloexperimental de un sistema de detección para la búsqueda deobjetos enterrados en suelo.


3.2.1 Camino libre medio en la arena

h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

λ(c

m)

8

10

12

14

16

18



h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

λ(c

m)

8

10

12

14

16

18

Arena θ = 5%, Dia 5


h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

λ(c

m)

8

10

12

14

16

18



h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

λ(c

m)

8

10

12

14

16

18



Figura 20: Camino libre medio en función de la altura para suelo franco,para el primer dia de experimento.

La longitud del lado de la columna contenedora de sueloes 20 cm y el valor de λ mas grande encontrado en arena estaalrededor de 17 cm, esto nos da como criterio la posibilidad quetiene el arreglo de retrodispersión de realizar mas interaccionesque llegan al detector.λ decrece con el incremento de la humedad, debido al incre-

mento de la densidad. Es por esta razón que es mas fácil queun neutrón sea retrodispersado en arena con altos valores dehumedad.

3.2 camino libre medio 35

3.2.2 Camino libre medio para suelo franco

h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

λ(c

m)

12

14

16

18

20

22



h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

λ(c

m)

12

14

16

18

20

22


Sin compactar

Compacto

h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

λ(c

m)

12

14

16

18

20

22



h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

λ(c

m)

12

14

16

18

20

22



Figura 21: Camino libre medio en función de la altura para suelo franco,para el quinto dia de experimento.

De forma similar a la arena, para el suelo franco se determinaλ y su relación con la densidad y humedad. La figura 21 parael primer dia de experimento muestra que es posible establecerel estado de compactación de suelos con la misma humedad através de λ, esto es posible determinando las diferencias loca-les de los estados de densidad y humedad. Comparando λ dela arena con el del suelo franco es mas grande por esta razónla respuesta de transmisión y retrodispersión no tiene grandesdiferencias comparado con la arena (ver capitulo ??). En gene-ral para los suelos y la humedades estudiados, se muestra através de las relaciones de la densidad, camino libre medio eintensidad de neutrones térmicos detectados, que la dinámicadel agua en el suelo se produce en un tiempo menor o igual acinco días ya que los resultados para las variables físicas calcu-ladas para el último día del experimento no tiene variacioneslocales, lo que indica que el estado del suelo es homogéneo.


3.3 medidas iniciales : estados homogéneos .

La parte inicial del experimento consiste en tomar medidas alos suelos secos y la parafina con el fin de conocer la respues-ta a los componentes del suelo, conocer en promedio cual es larespuesta del sistema de deteccion en cuentas a los suelos secos,esto permite además conocer qué cuentas representa la hume-dad contenida en el suelo al ser comparada con la respuesta delos mismo sistemas a suelos húmedos.

h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

I γ(C

uent

as)

20

40

60

80

100

310×

ColumnaArena secaFranco secoParafina

Figura 22: Respuesta del sistema de detección de transmisión γ a suelossecos, columna y parafina.

En figura 22 se observa en efecto, si la muestra es homogé-nea, no se observan variaciones de la cuentas en función de laaltura, de otro lado se puede hacer una evaluación cualitativade la densidad, la columna vacia muestra una mayor cuentascomo es esperado, ya que al estar vacia los fotones tienen inter-acciones mínimas con el medio antes de llegar al detector, com-parado con las muestras de suelo y parafina. A pesar de quelas cuentas detectada, no es una medida directa de la densidadse puede notar que la arena que tiene alto contenido minerales la que presenta una menos cuentas detectadas contrario alas muestras con alto contenido orgánico, el suelo franco y laparafina. Las siguientes figuras 23 y 24 muestran la respuestade los sistemas de detección por transmisión y retrodispersiónde neutrones, las cuales son similares. En la primera posiciónh = 0, se puede notar un aumento en la cuentas debido a laproximidad con el piso; los neutrones son emitidos isotrópica-

3.4 arena 37

mente por la fuente por lo tanto también pueden interactuarcon el piso y ser retrodispersados hacia el detector.

h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

I Tn

(Cue

ntas

)

200

300

400

500

600

700

800

900

ParafinaArena secaFranco seco

Figura 23: Respuesta del sistemade detección usando elarreglo de transmisiónde neutrones para sue-los secos y parafina.

h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

I Rn

(Cue

ntas

)

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Parafina

Arena seca

Franco seco

Figura 24: Respuesta de sistemasde detección usando elarreglo de retrodisper-sión de neutrones parasuelos secos y parafina.

Comparando la figuras 23 y 24 , se puede notar que la ten-dencia es similar, sin embargo se observa que por transmisiónde neutrones (ITn) existe una diferencia de cuentas similar entrelas tres muestras, mientras que por retrodispersión de neutro-nes (IRn) las muestra de suelo tienen una marcada diferenciascon la parafina.

La tendencia en la intensidad de neutrones detectado en fun-ción de la altura es común en todos los experimentos. En gene-ral las anteriores gráficas nos muestran el comportamiento delos sistemas de detección a sistemas homogéneos en densidady humedad.

3.4 arena

La arena es un suelo con alto contenido mineral, la arena hasido ampliamente estudiada [5], [6], [23], [2] con el fin de apli-car la técnica de retrodispersión de neutrones para encontrarobjetos enterrados con alto contenido orgánico, la arena pro-vee un alto contraste en el sistema de detección a los objetosque tienen alto contenido orgánico [6], sin embargo debido ala estructura granular la arena húmeda tiene una alta dinámi-ca entre los espacios de poro, haciendo que la densidad cambiedebido al aumento de hidrógeno entre los poros debido al aguaya que la humedad se retiene de forma local. A continuaciónse presentan los resultados para arena humeda al θ = 5 % yθ =10 % en diferentes estados de densidad.


3.4.1 Arena θ = 5 %

3.4.1.1 Transmisión γ

h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

I γ(C

uent

as)

10000

11000

12000

13000

14000

15000

16000

17000

18000 Día 1

Día 5

Figura 25: Respuesta del sistemade detección usando elarreglo de transmisiónγ para arena sin com-pactar al θ =5 % .

h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

I γ(C

uent

as)

5000

6000

7000

8000

9000

10000

11000

12000 Día 1

Día 5

Figura 26: Respuesta el sistemade detección usando elarreglo de transmisiónγ para arena compactacon θ = 5 %.

Las Figuras 25 y 26 muestran la respuesta del sistema de de-tección por transmisión γ para arena con θ =5 % gravimétrica,en dos diferentes estados de densidad; en el primero (Figura25) la muestra fue agregada a la columna sin ser compactada,en la segunda (figura 26) fue compactada.

La figura 25 muestra que para el primer día de experimentono se obtiene un estado homogéneo en función de la altura, locual es importante a tener en cuenta al comparar con el estadofinal se puede concluir erróneamente que en el transcurso deltiempo se presentaron variaciones de homogeneidad. Cuandola arena sin compactar tiene un porcentaje mínimo de hume-dad, se puede decir que todavía tiene suficiente espacio porosoen el cual el agua puede fluir fácilmente por lo tanto se esperaque rápidamente se dirija hacia la base de la columna por efec-to gravitacional, lo que muestra que la intensidad en funcióndel tiempo también debe decrecer en la parte superior de lacolumna.

Cuando la arena (figura 25) se compacta la densidad aumentapor lo tanto la intensidad de rayos γ detectados decrece. La are-na al ser compactada, muestra un interesante efecto, el espaciode poro en el que se puede ver que el flujo se reduce haciendoque el agua se retenga en el suelo . El primer día de experimen-to la densidad es alta en la parte superior de la columna, sinembargo después de cinco días parece estabilizarse ya que elagua contenida en la parte superior de la columna se dirige ha-

3.4 arena 39

cia el fondo. Los cambios más drásticos se ven en los extremosde la columna se puede notar que en los extremos, es dondese da una variación de la densidad que decrece con el tiempo.Sin embargo esta tendencia parece darse mas fácilmente en laparte superior de la columna que en la inferior.

3.4.1.2 Retrodispersión de neutrones

h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

I Rn

(Cue

ntas

)

300

400

500

600

700

800Día 1

Promedio dias 2,3,4

Día 5

Figura 27: Respuesta del sistemadetección usando elarreglo de retrodisper-sión de neutrones paraarena sin compactar alθ =5 %.

h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

I Rn

(Cue

ntas

)

400

500

600

700

800

900

Día 1

Promedio dias 2,3,4

Día 5

Figura 28: Respuesta del sistemade detección usando elarreglo de retrodisper-sión de neutrones pa-ra arena compacta alθ = 5 %.

El análisis por retrodispersión de neutrones debe reflejar lasvariaciones locales en densidad encontradas por transmisión γ,lo que significa que el aumento de elementos orgánicos es co-rrespondiente a un aumento de densidad, ya que el agua es unbuen termalizador se espera que la respuesta por retrosipersiónde neutrones muestre las mismas variaciones. La figura 27 tieneun comportamiento correspondiente a la figura mostrada contransmisión γ, el agua parece tener punto de equilibrio alrede-dor de la posición 40 cm y aunque inicialmente la intensidaddecrece con la altura, con el paso de los días la intensidad seincrementa, lo cual nos lleva la misma conclusión que hemosobtenido con los otros arreglos experimentales, la influencia so-bre la humedad del suelo es gravitacional, acumulándose en laparte inferior de la columna.

La figura 28 muestra que la intensidad tiene un pequeño in-cremento (100 cuentas), esta indica que la cantidad de materialorgánico a variado. La diferencia entre un suelo compactado ysin compactar es que en el mismo volumen en el que se da unacolisión de un neutrón con el blanco en la muestra compactadael blanco tiene mas centros dispersores por unidad de volumen,


esto es lo que hace que se observe un incremento en la inten-sidad. En este caso dependiendo de la altura en el transcursode los días la intensidad en función de la altura se convierteen una función lineal que tiene los mismos puntos de equili-brio encontrados con transmisión γ cerca a los extremos de lacolumna, en h = 20 cm y h = 60 cm.

3.4.1.3 Transmisión de neutrones

h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

I Tn

(Cue

ntas

)

250

300

350

400

450

500

550

600

650 Día 1

Promedio dias 2,3,4Día 5

Figura 29: Respuesta del sistemade detección usando elarreglo de transmisiónde neutrones para are-na sin compactar alθ = 5 %.

h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

I Tn

(Cue

ntas

)

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

Día 1


Figura 30: Respuesta del sistemade detección usando elarreglo de transmisiónde neutrones para are-na compacta al θ = 5 %.

Los datos obtenidos por transmisión de neutrones (figuras29 y 30) siguen la misma tendencia obtenida usando los otrosarreglos experimentales, siendo mas difícil extraer diferenciasen función del tiempo.

3.4 arena 41

3.4.2 Arena θ =10 %

Los experimentos realizados con arena al θ =10 %, muestranque la cuentas en función de la altura tiene una pendiente masgrande que en el caso anterior indicando que el flujo se dirigecon mayor facilidad hacia la parte inferior de la columna, paraarena con mayor contenido de humedad los efectos gravitacio-nales son más evidentes variando mas rápidamente su estadoinicial. Sin embargo cuando el suelo es compactado aumentasu densidad sin alterar la tendencia obtenida en el caso de hu-medad inferior.


h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

I γ(C

uent

as)

8000

9000

10000

11000

12000

13000

Día 1

Día 5

Figura 31: Respuesta del sistemade detección usando elarreglo de transmisiónγ para arena sin com-pactar al θ = 10 %.

h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

I γ(C

uent

as)

5000

6000

7000

8000

9000

10000

11000

Día 1

Día 5

Figura 32: Respuesta del sistemade detección usando elarreglo de transmisiónγ para arena compactaal θ =10 %.

Nuevamente como lo observamos con arena al θ =5 % el com-portamiento de la densidad es bastante similar encontrando re-giones cerca a los extremos donde en función del tiempo noexisten variaciones. Las curvas muestran que hacia el final delexperimento se da un decrecimiento de la intensidad en h = 80cm, una vez mas indicando el aumento de la densidad.

El suelo compacto (figura 32) muestra que la tendencia del es-tado final no muestra un incremento de la densidad (ver ecua-ción 14) para h = 0 cm respecto a las demás alturas, la densidaden h = 20 cm, muestra que la dinámica en suelos compactos esmas lenta, ya que la humedad en cinco días en esta ocasión seacumula a esta altura. La compactación y la humedad produ-cen uniformidad en la densidad.



h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

I Rn

(Cue

ntas

)

600

800

1000

1200

1400Día 1


Figura 33: Respuesta del sistemade detección usando elarreglo de retrodisper-sion de neutrones γ pa-ra arena sin compactaral θ =10 %.

h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

I Rn

(Cue

ntas

)

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Día 1


Figura 34: Respuesta del sistemade detección usando elarreglo de retrodisper-sión de neutrones pa-ra arena compacta alθ =10 %.

El método de retrodispersión de neutrones para ambos esta-dos de densidad (figuras 33 y 34) muestra que las variacioneslocales en densidad (ver Figura 18) involucran cambios localesde humedad, esto es importante para definir que la variaciónde la densidad en la arena corresponde únicamente al agua.Se puede observar que la relación de h-IRn corresponde conla ecuacón de Richards (Ecuación 19), lo que nos evidencia larelación entre IRn y θ.

3.4 arena 43


h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

I Tn

(Cue

ntas

)

300

400

500

600

700

800

900

1000

Día 1


Figura 35: Respuesta del sistemade detección usando elarreglo de transmisiónde neutrones para are-na sin compactar alθ =10 %.

h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

I Tn

(Cue

ntas

)

400

600

800

1000

1200

Día 1


Figura 36: Respuesta del sistemade detección usandoel arreglo de transmi-sión de neutrones pa-ra arena compacta alθ =10 %.

El método de transmisión de neutrones para este experimen-to aparentemente es más eficiente para encontrar variaciones dehumedad y de contenido orgánico relacionado con variacionesen densidad, comparando las figuras 31, 32 con 35 y 36 respec-tivamente se encuentra que en h = 20 cm no hay variacionesde densidad son los mismos en que por transmisión de neutro-nes en los que no se encuentra variación de humedad. Se debetener en cuenta que aunque la metodología es encontrar las va-riaciones de la dinámica en el suelo; mostrando si el suelo tie-ne inhomogeneidades que sean exactamente identificables porambos métodos por neutrones, el método de retrodispersión deneutrones tiene mayor resolución para identificar variaciones.


3.5 suelo franco

3.5.1 Suelo franco θ =5 %

Las medidas inician con un suelo con θ =5 %, que para ladistribución granular que tiene un suelo franco compuesto enmayor parte por limos y arcillas significa que el agua es fá-cilmente retenida por el suelo existiendo muy poca dinámica adiferencia de lo observado en la arena, podemos encontrar dife-rencias de densidad local a los largo de la columna (ver Figura19 para θ =5 % ).


h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

I γ(C

uent

as)

13000

14000

15000

16000

17000

18000

19000

Día 1

Día 5

Figura 37: Respuesta del sistemade detección usando elarreglo de transmisiónγ para suelo franco sincompactar al θ = 5 %.

h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

I γ(C

uent

as)

10000

12000

14000

16000

18000

20000

22000

24000

26000 Día 1

Día 5

Figura 38: Respuesta del sistemade detección usando elarreglo de transmisiónγ para suelo francocompacto con θ = 5 %.

La figura 37 muestra la variación de la intensidad en todaslas posiciones de la columna excepto en la base de la columna(posición 0 cm), aunque para el estado final muestra cambiosde intensidad es necesario revisar las figuras 39 y 41 en las queel análisis llevado a cabo por los métodos nucleares con neutro-nes muestran que si las variaciones locales de densidad corres-ponden a aumento de la humedad se verá una alta respuestade forma local con los métodos por neutrones y si correspon-de a aglomeración, únicamente la respuesta por transmisión γmostrara una variación en la disminución de la intensidad.


El análisis de retrodispersión de neutrones en suelo francoextiende las posibilidades de entender las variaciones de den-

3.5 suelo franco 45

h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

I Rn

(Cue

ntas

)

400

600

800

1000

1200

1400

Día 1


Figura 39: Respuesta del sistemade detección usando elarreglo de retrodisper-sión de neutrones pa-ra suelo franco sin com-pactar con θ = 5 %.

h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

I Rn

(Cue

ntas

)

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Día 1


Figura 40: Respuesta del sistemade detección usando elarreglo de retrodisper-sión de neutrones parasuelo franco compactocon θ = 5 %.

sidad encontradas en las figuras 37 y 38 , la tendencia entrelos tres análisis ; transmisión de neutrones , retrodispersión deneutrones (39 y 40) y transmisión γ son completamente corres-pondientes. Para suelo franco con θ =5 % sin compactar, se pue-de identificar con los tres métodos lo mismos puntos donde seencuentra una variación en la densidad y se asocia con el in-cremento de la humedad, nuevamente se obtiene una mejorresolución para detección de humedad con el método de re-trodispersión de neutrones, pero al encontrar correspondenciaentre los métodos de transmisión retrodispersión de neutrones,se asegura que las variaciones locales corresponden a variaciónde humedad.



h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

I Tn

(Cue

ntas

)

300

400

500

600

700

800

900

1000

Día 1


Figura 41: Respuesta del sistemade detección usando elarreglo de transmisiónde neutrones para sue-lo franco al θ = 5% sincompactar.

h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

I Tn

(Cue

ntas

)

400

600

800

1000

1200

1400

Día 1


Figura 42: Respuesta del sistemade detección usando elarreglo de transmisiónde neutrones para sue-lo franco al θ = 5%compacto.

Las figuras 41 y 42 tienen una tendencia similar a pesar deque cada experimento es realizado en condiciones de compac-tación diferente, con transmisión de neutrones podemos encon-trar los resultados mostrados en la Figura 42. Se puede notarque la intensidad aumenta debido al aumento de la densidad(Figura 19), en el caso de suelo franco en el cual los espaciosde poro son pequeños y el agua tiene poca movilidad, puededecirse que los suelos compactos son óptimos para determinarvariaciones en la humedad relacionados con el estado de densi-dad mostrando diferencias bastante notables en respuesta a lossistemas de detección.

3.5 suelo franco 47

3.5.2 Suelo franco θ = 10 %


h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

I γ(C

uent

as)

14000

15000

16000

17000

18000

19000

Día 1

Día 5

Figura 43: Respuesta del sistemade detección usando elarreglo de transmisiónγ para suelo franco sincompactar al θ =10 %

h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

I γ(C

uent

as)

13000

13500

14000

14500

15000

15500

16000

16500

Día 1

Día 5

Figura 44: Respuesta del sistemade detección usando elarreglo de transmisiónγ para suelo francocompacto al θ =10 %

En cuanto a los resultados obtenidos en suelo franco con 10 %de humedad tienen el mismo comportamiento en la relación h-ITn el mismo comportamiento que en suelo franco con 5 % dehumedad, sin embargo las variaciones de densidad son másperceptibles en función del tiempo, tomando como referenciaun punto de la altura y comparando el estado inicial con el final,vemos una mayor densidad (Figura 19) hacia la parte inferiorde la columna, reduciéndose en la parte superior de la columna.


3.5.2.2 Retrodispersion de neutrones

h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

I Rn

(Cue

ntas

)

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

Día 1


Figura 45: Respuesta del sistemade detección usando elarreglo de retrodisper-sión de neutrones pa-ra suelo franco sin com-pactar al θ =10 %.

h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

I Rn

(Cue

ntas

)

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Día 1


Figura 46: Respuesta del sistemade detección usando elarreglo de retrodisper-sión de neutrones parasuelo franco compactoal θ =10 %.

Los resultados mostrados en las figuras 45 y 46 muestra quelas diferencias de un suelo compacto húmedo son menos nota-bles que las de un suelo compacto, lo que indica que las varia-ciones de densidad mostradas en la figura 19 no correspondena la densidad del suelo sino a la cantidad de agua acumuladamientras que para el suelo compacto los estados de densidadmostrados en la figura 44 corresponden a variaciones en la hu-medad en el suelo de acuerdo a los resultados mostrados en lafigura 46.

3.5 suelo franco 49

3.5.2.3 Transmision de neutrones

h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

I Tn

(Cue

ntas

)

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Día 1


Figura 47: Respuesta del sistemade detección usando elarreglo de transmisiónde neutrones para sue-lo franco sin compactarcon θ = 10 %.

h (cm)0 10 20 30 40 50 60 70 80

I Tn

(Cue

ntas

)

500

1000

1500

2000

2500

Día 1


Figura 48: Respuesta del sistemade detección usando elarreglo de transmisiónde neutrones para sue-lo franco compacto conθ = 10 %.

Los resultados obtenidos por transmisión de neutrones (Figu-ras 48 y 47) muestran una tendencia de humedad a lo largo dela columna similar a la obtenida por retrodispersión, también sepuede notar la relación ligada con las diferencias de densidaden función del tiempo para este caso son mucho mas notorias.


3.6 relación densidad-termalización

Uno de los objetivos de este trabajo es identificar cúales sonlas variaciones en la intensidad de neutrones detectada que pro-ducen las variaciones en la densidad (compactación) y hume-dad en el suelo. La forma de identificar estas variaciones selogra relacionando las diferencias entre suelo compactado y sincompactar para la intensidad de neutrones térmicos detecta-dos (∆I = Isuelo compacto − Isuelo sin compactar) con las diferenciasde densidad (∆ρ = ρsuelo compacto − ρsuelo sin compactar), para cadaaltura de la columna. A continuación se presentan los resulta-dos obtenidos para transmisión y retrodispersión de neutronespara arena y suelo franco. En la Figura 49 para θ = 5% se ob-

∆ρ(g/cm3)0 0.2 0.4 0.6 0.8

Rn

(Cue

ntas

)∆

I

-50

0

50

100

150

200

250

300

Arena θ = 5%: Retrodispersión

Día 1

Día 5

∆ρ(g/cm3)0 0.2 0.4 0.6 0.8

Tn

(Cue

ntas

)∆

I

-80

-60

-40

-20

0

20

40

Arena θ = 5%: Transmisión

Día 1

Día 5

∆ρ(g/cm3)-0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Rn

(Cue

ntas

)∆

I

0

200

400

600

800

Arena θ = 10%: Retrodispersión

Día 1

Día 5

∆ρ (g/cm3)-0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Tn

(Cue

ntas

)∆

I

0

100

200

300

400

500

Arena θ = 10%: Transmisión

Día 1

Día 5

Figura 49: Relación de ∆I para transmisión y retrodispersión con ∆ρ paraarena a θ = 5% y θ = 10%.

serva que variaciones de densidad entre [0.2 : 0.8] producenvariaciones de intensidad más grades aproximadamente en unorden de magnitud utilizando el arreglo de retrodispersión deneutrones, para variaciones de densidad entre [0.0 : 0.2] las va-riaciones de intensidad utilizando el arreglo de transmisión yretrodispersión son muy similares. Para θ = 10% para los mis-mos valores de ∆ρ las variaciones de intensidad detectada porretrodispersión y transmisión se mantienen en el mismo ordende magnitud, sin embargo son mas grandes por retrodispersión.Cuando se encuentrar valores negativos en ∆ρ significa que selogro mayor densidad local en el sin compactar que compacta-

3.6 relación densidad-termalización 51

do, lo que corresponde a su vez con valores negativos en ∆I.

∆ρ (g/cm3)-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4

Rn

(Cue

ntas

)∆

I

-400

-200

0

200

400

600

800

Suelo Franco θ = 5%: Retrodispersión

Dia 1

Dia 5

∆ρ (g/cm3)-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4

Tn(C

uent

as)

∆I

-200

-100

0

100

200

300

400

500

Suelo Franco θ = 5%: Transmisión

Dia 1

Dia 5

∆ρ (g/cm3)-0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

Rn

(Cue

ntas

)∆

I

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

Suelo Franco θ = 10%: Retrodispersión

Dia 1

Dia 5

∆ρ (g/cm3)-0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

Tn(C

uent

as)

∆I

0

200

400

600

800

Suelo Franco θ = 10%: Transmisión

Dia 1

Dia 5

Figura 50: Relación de ∆I para transmisión y retrodispersión con ∆ρ parasuelo franco a θ = 5% y θ = 10%.

En la Figura 50 para suelo franco a θ = 5% se puede obser-var que diferencias de densidad entre [0.0 : 0.3] g/cm3 produ-cen diferencias de intensidad mas grandes para retrodispersiónque para transmisión. En la misma Figura para suelo franco aθ = 10% las variaciones de ∆ρ se encuentran en un rango de[0.0 : 0.15] usando el arreglo de retrodispersión, las cuales pro-ducen un rango de ∆IRN de [0.0 : 2000] siendo este el rango masamplio de variaciones encontradas. En general comparando losresultados obtenidos para arena (Figura 49) y suelo franco (Fi-gura 50), se puede encontrar que para arena se obtiene un ran-go mas amplio de diferencias de densidad ([0.0 : 0.8]) mientrasque para suelo franco se obtiene un rango de [0.0 : 0.4], pero seobtienen mas diferencias de intensidad en suelo franco.

4C O N C L U S I O N E S

1. Se determino la densidad del suelo usando la atenuaciónde la radiación γ con la composición estequiométrica delsuelo, el método tiene la capacidad de encontrar diferen-cias locales en densidad tan pequeñas como 0.1 (g/cm3).

2. Las variaciones locales en densidad y humedad del sue-lo pueden ser cuantificadas usando de forma conjunta lastécnicas de transmisión γ y retrodispersión de neutrones(Figuras 49 y 50). Para arena con θ = 5% seproducen di-ferencias de densidad en un rango de [0.0 : 0.7] g/cm3 lascuales a su vez producen diferencias de intensidad en unrango de [0 : 270] cuentas para retrodispersión y de [0 : 20]cuentas para transmisión. Para arena con θ = 10% se pro-ducen diferencias de densidad en un rango de [0.0 : 0.4]g/cm3 las cuales a su vez producen diferencias de intensi-dad en un rango de [0 : 800] cuentas para retrodispersióny de [0 : 500] cuentas para transmisión.Para suelo franco se encuentran variaciones en un rangode [0.0 : 0.25] g/cm3 produciendo diferencias de intensi-dad en un rango de [0 : 2000] cuentas para retrodispersióny [0 : 800] cuentas en transmisión.

3. Se puede concluir de las Figuras 49 y 50 que se obtienemayor resolución para las mismas diferencias locales dedensidad con el arreglo de retrodispersión de neutrones,y a una humedad de θ = 10%, tanto para arena comosuelo franco.

4. El uso conjunto de métodos nucleares con radiación γ yneutrones hace posible demostrar la capacidad de los mé-todos nucleares para encontrar diferencias de densidad yhumedad, a una profundidad de hasta 16 cm en arena y 20

cm en suelo franco. El método permite encontrar λ con unerror de ± 1 cm, con humedades entre θ = 0% y θ = 10%.Estos valores de deben tener en cuenta a la hora de optimi-zar la técnica TNB para la detección de objetos orgánicos,conociendo que los AEI por lo general son enterrados ano mas de 20 cm del suelo [22].

53

B I B L I O G R A F Í A

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exploración de la capacidad de métodos nucleares para la...

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